CAPÍTULO 4 GENÉTICA BACTERIANA Germán Hermosilla D.
INTRODUCCIÓN La información genética en bacterias está codificada en la molécula de ácido desoxirribonucleíco, ADN, cuya propiedad de replicación es esencial para la herencia de todos los rasgos genéticamente determinados (genotipo) y que en su conjunto definen las características observables del microorganismo (fenotipo). Este capítulo entregará al alumno los elemento básicos relacionados con la organización de la información genética en las bacterias, su relación con rasgos fenotípicos de interés médico (factores de virulencia y resistencia a antibióticos), así como, los mecanismos por los cuales estos organismo procarióticos pueden adquirir variabilidad genética.
NATURALEZA DEL MATERIAL HEREDITARIO EN BACTERIAS La molécula de ADN, corresponde a un polímero de ácido nucleico, cuya unidad es el nucleótido. Cada nucleótido posee un grupo fosfato, una azúcar desoxirribosa y una base nitrogenada purina o pirimidina. Las purinas son adenina (A) y guanina (G), mientras que las pirimidinas corresponden a timina (T) y citocina (C). Los nucleótidos se unen uno a uno a través de un enlace covalente llamado unión fosfodiester, en la que un grupo 3’-hidroxilo de un nucleótido se une al grupo 5’-fosfato del nucleótido adyacente. Esta unión fosfodiester asimétrica define la polaridad de la cadena polinucleotídica. El ADN es una molécula de doble hebra, con forma helicoidal, donde las dos hebras en la hélice son antiparalelas. La doble hélice se encuentra estabilizada por uniones débiles del tipo puente de hidrógeno, entre una base purina y otra pirimidina, en hebras opuestas. En cada posición del ADN, la adenina se aparea por dos puentes de hidrógeno a timina en la hebra opuesta, mientras que guanina se aparea por tres puentes de hidrógeno a una citocina. Por lo tanto, las dos hebras de la doble hélice son complementarias. Debido a esta complementaridad, la doble hebra de ADN contiene cantidades equimolares de purinas (A+G) y pirimidinas (T+C), con igual cantidad de A y T, como G y C. Sin embargo, la fracción molar de G+C en el ADN puede variar entre las diferentes especies de bacterias. El ADN posee dos funciones esenciales en los microorganismos, la replicación y la expresión.
Replicación: Durante la replicación, cada hebra de la doble hélice sirve como templado para la síntesis de una hebra complementaria. Cada nueva molécula de doble hebra de ADN debe contener, por lo tanto, una hebra polinucleotídica vieja y una hebra recientemente sintetizada. 27
28
Biología de los microorganismos
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
Este tipo de replicación del ADN se denomina semiconservativa. Por otro lado, la replicación del ADN cromosomal en bacterias comienza en un sitio específico llamado origen y se realiza bidireccionalmente hasta que el proceso se completa. De este modo, cuando una bacteria se divide por fisión binaria, luego de haber completado la replicación de su ADN, cada célula hija hereda un genoma replicado.
Expresión: La información genética codificada en el ADN se expresa a través de la síntesis de otro ácido nucleico, el ARN y proteínas. La síntesis de ARN, dependiente del ADN, se denomina transcripción, mientras que la síntesis de las proteínas a partir del ARN se llama traducción. La dirección del flujo de información entre estas moléculas esta definido por el Dogma de la Biología Molecular (Figura 4-1).
ADN
ARN retrovirus
proteína ARN virus
Figura 4-1: Dogma central de la biología molecular. La expresión génica en bacterias está regulada. De esta forma el microorganismo se adapta rápidamente a la variación de concentración de nutrientes presentes en el ambiente que los rodea. Para ello, las bacterias poseen genes relacionados, agrupados estructuralmente en operones. Genes relacionados pueden ser aquellos que codifican para enzimas que participan en una vía metabólica común. Un operón consiste de un solo promotor (secuencia reguladora de la transcripción), genes agrupados (cistrones) y de un terminador de la transcripción. De esta forma, los genes son transcritos coordinadamente en un ARN mensajero policistrónico, que luego será traducido a proteínas. Las bacterias, regulan la expresión génica a nivel de la transcripción y la traducción. A pesar de su importancia, ambos procesos no serán revisados en este capítulo, dado que lo concerniente a regulación de la expresión fue abordado en el capítulo de Fisiología Bacteriana. Se debe mencionar que las bacterias poseen también niveles de regulación superior al operón. Estos constituyen el Sistema de Regulación Global, el que está constituido por los regulones: un conjunto de operones asociados a una vía, función o proceso común, bajo el control de la misma proteína reguladora; los modulones: un conjunto de operones relacionados a vías o funciones múltiples, que responden a una proteína reguladora común; y los estimulones: un conjunto de operones, regulones o modulones, que responden frente a una señal ambiental común.
Genética bacteriana
29
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
ORGANIZACIÓN GENÉTICA EN BACTERIAS La información heredable en bacterias está organizada en dos elementos genéticos: el cromosoide o genoma bacteriano y elementos extracromosómicos, como los plásmidos y bacteriófagos. Estos elementos, replicables como unidades genéticas discretas, son llamados genéricamente replicones.
Cromosoide bacteriano: El tamaño del genoma bacteriano varía entre 0.4x10 9 a 8.6x109 dalton. Los cromosoides más pequeños se encuentran en las bacterias parásitos obligados, tales como micoplasmas, mientras que los de mayor tamaño están en bacterias capaces de una diferenciación compleja, tal como Myxococcus. La cantidad de ADN en el genoma determina la cantidad máxima de información que puede codificar. La mayoría de las bacterias presentan un genoma haploide, de una molécula simple de ADN, con topología circular. Sin embargo, la bacteria Gram (-) Borrelia burgdorferi , posee un cromosoide lineal, mientras que Agrobacterium tumefaciens cuenta con un cromosoide lineal y otro circular. Por otro lado, continuando con las excepciones, existen bacterias cuyos genomas son diploides ( Leptospira interrogans) e incluso triploides ( Burkholderia cepacia). El cromosoide de Escherichia coli es de 3x10 9 Da, 4500 kilobases (kb), lo que supone una longitud de 1.3 mm, aproximadamente 1000 veces el diámetro de la célula. Esto se explica debido a que el ADN del cromosoide está superenrollado y altamente empaquetado en el nucleoide bacteriano. Se estima que el genoma de E. coli codifica para alrededor de 4000 genes, que definen las características fenotípicas de esta bacteria. El tiempo requerido para la replicación completa de este cromosoide es de alrededor de 40 min.
Plásmidos: Los plásmidos son replicones que se mantienen en las bacterias como elementos genéticos extracromosomales y discretos (Figura 4-2). En general son de menor tamaño que el cromosoide bacteriano entre 5 a varias decenas de kb, aunque plásmidos tan grandes como 2 Mb pueden encontrarse en bacterias. Los plásmidos normalmente codifican para rasgos fenotípicos no esenciales para la viabilidad de la bacteria y se replican en forma independiente del cromosoide. Casi todos los plásmidos son moléculas de doble hebra de ADN y circulares, aunque también se han reportado plásmidos lineales en Borrelia y Streptomyces. Dos plásmidos estrechamente relacionados o idénticos no pueden ser mantenidos en forma estable dentro de un mismo hospedero bacteriano, por lo tanto son incompatibles. mientras que plásmidos no relacionados pueden coexistir, dado que pertenecen a grupos de incompatibilidad diferentes. La incompatibilidad queda establecida por la competencia de los factores (proteínas del hospedero) necesarios para la replicación plasmidial.
30
Biología de los microorganismos
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
PBR322
R
R
tet
amp
4.4 kb
ori
Figura 4-2: Representación de un plásmido típico. ori, origen de replicación; R R amp , gen de resistencia a ampicilina; tet , gen de resistencia a tetraciclina. Se destacan sitios blancos de enzimas de restricción.
De acuerdo a las características que pueden conferir a las bacterias que los portan, los plásmidos pueden ser clasificado como: Plásmidos R: Plásmidos col: Plásmidos metabólicos:
Aquellos que codifican para resistencia a antibióticos. Los que expresan factores que actúan como bacteriocinas. Los que portan los genes necesarios para el metabolismos de moléculas complejas. Plásmidos de virulencia: Plásmidos que codifican para factores de virulencia. Plásmidos conjugativos: Aquellos que tienen la información necesaria para promover su propia transferencia a otra bacteria receptora. El número promedio de moléculas de un plásmido particular por bacteria se denomina número de copia. Plásmidos mayores a 40 kb son frecuentemente conjugativos y tienen un bajo número de copia (1 a 10 por bacteria). Estos codifican para todas las funciones requeridas para su replicación y partición en las células hijas. En cambio, plásmidos menores que 7.5 kb, normalmente no son conjugativos y tienen una alto número de copias (entre 20 a 50 por bacteria) Muchos plásmidos controlan importantes propiedades patogénicas de las bacterias patogénicas, como la resistencia a los antibióticos, la producción de toxinas y la síntesis de estructuras celulares de superficie requeridas para la adherencia o colonización e invasión. Por
Genética bacteriana
31
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
ejemplo, toxinas representativas, codificados por plásmidos, incluyen las enterotoxinas termo lábil y termo estable de E. coli, la toxina tetánica de Clostridium tetani y la toxina exfoliativa de Staphylococcus aureus. Por otro lado, un plásmido virulento ha sido reportado en Yersinia, en donde el elemento extracromosómico codifica para las proteínas YOps requeridas en la invasión de esta bacteria.
Bacteriófagos: Los bacteriófagos (virus bacterianos) son agentes infecciosos que se replican como un parásito obligado en bacterias. El fago extracelular es metabólicamente inerte y consiste principalmente de proteínas mas ácido nucleico (ADN o ARN). Las proteínas del fago protegen su material genético (cápside). El genoma del fago puede variar de 2 a 200 kb por hebra de ADN y su genoma puede ser una molécula de simple hebra o doble hebra. Como ocurre en los plásmidos, los fagos codifican para las funciones necesarias para su replicación en bacterias, pero además, proteínas de la cápside y proteínas no estructurales requeridas para el ensamblaje del fago. Existen varios tipos morfológicos de fagos, los hay polihédricos, filamentosos y complejos. Estos últimos, tienen cabezas poliédricas a las cuales se une una cola y a veces otros apéndices. El paso inicial de la infección de un fago es la adsorción de éste a receptores específicos en la superficie del hospedero bacteriano susceptible. La cápside permanece en la superficie celular, y el genoma ARN o ADN entra en la célula blanco (penetración). El genoma del fago es replicado para producir nuevas copias, y las proteínas fago-específicas son expresadas. En la mayoría de los fagos, el ensamblaje de la progenie ocurre en el citoplasma y la liberación de esta ocurre por lisis celular. Sin embargo, los fagos filamentosos son formados en la envoltura celular y liberados con la muerte de la bacteria. El número promedio de partículas víricas producida dentro de cada hospedero es característico de cada fago y frecuentemente varía entre 50 y varios cientos. Los fagos son clasificados en dos grandes grupos: Fagos virulentos y fagos temperados. El ciclo de los fagos virulento en bacterias susceptibles destruye la célula del hospedero. En cambio, los fagos temperados pueden seguir un ciclo lítico o lisogénico. El ciclo lítico de los bacteriófagos temperados y virulentos es similar, terminando con la producción de la progenie vírica y la muerte del hospedero bacteriano. El ciclo lisogénico es un tipo específico de infección viral latente, en la cual el genoma del fago se replica como un profago dentro de la célula bacteriana. En la mayoría de las bacterias lisogénicas los genes requeridos para el ciclo lítico no son expresados. El estado físico del profago no es idéntico en todos los fagos. Por ejemplo, el profago del bacteriófago 1 en E. coli se encuentra integrado al cromosoide bacteriano, en un sitio específico y se replica como parte de él, mientras que el profago P1 en E. coli se replica como un plásmido extracromosomal. En bacterias lisogénicas, el profago puede activarse entrando al ciclo lítico. El estado lítico puede ser inducido en forma sincrónica cuando la bacteria lisogénica es tratada con agentes que dañan el ADN (Luz ultravioleta o mitomicina C).
32
Biología de los microorganismos
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
Algunos fagos temperados contienen genes para característica bacterianas que no están relacionados a ciclo lítico o estado lisogénico. La expresión de tales genes se denomina conversión del fago o conversión lisogénica. Ejemplos de conversión lisogénica importantes en la virulencia bacteriana incluyen la producción de la toxina de la difteria en Corynebacterium diphtheriae, la toxina eritrogénica en Streptococcus pyogenes, toxina botulínica en Clostridium botulinum y las toxinas tipo-Shiga en E. coli. Los genes que codifican para estas toxinas están presentes en el genoma del fago temperado. Por otro lado, la especificidad de los antígenos O en Salmonella puede estar también controlado por la conversión lisogénica.
OTROS ELEMENTOS GENÉTICOS EN BACTERIAS Además de los plásmidos y bacteriófagos, existen otros elementos genéticos presentes en bacterias. A diferencia de los primeros estos elementos no son capaces de replicarse en forma autónoma. Su mantención en la bacteria depende de otro replicón, como el cromosoide bacteriano, plásmido o bacteriófago. Estos elementos son el transposón y los integrones.
Transposón: Los transposones son segmentos de ADN, los cuales pueden “moverse” desde un sitio en una molécula de ADN a otro sitio blanco en la misma o una diferente la molécula de ADN. El proceso se denomina transposición y ocurre por un mecanismo independiente de la recombinación generalizada. Los transposones son elementos genéticos importantes ya que pueden causar mutaciones, mediar rearreglos cromosómicos, portar regiones de ADN de homología genética, y adquirir nuevos genes, los que pueden ser diseminados en la población bacteriana. La inserción de un transposón normalmente interrumpe la secuencia lineal de un gen y los inactiva. La mayoría de los transposones comparten rasgos en común. Todo transposón codifica las funciones necesarias para su transposición, incluyendo una enzima transposasa que interactúa con secuencias específicas en los extremos del transposón. Durante el evento de transposición, una corta secuencia de ADN es duplicada, y el transposón se inserta entre las secuencias repetidas directas. El tamaño de esta corta secuencia es variable y es característica de cada transposón. Algunos transposones pueden insertarse en casi cualquier secuencia blanco, mientras que otros son altamente específicos. Se reconocen dos tipos de transposición. La excisión del transposón desde un sitio, para luego insertarse en otro sitio blanco se denomina transposición no-replicativa. Si el transposón en un sitio dador es replicado y una copia se inserta en el sitio blanco, el proceso se llama transposición replicativa.
Genética bacteriana
33
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
Los transposones en bacterias pueden ser separados en tres mayores clases (Figura 4-3).
1) Secuencias de Inserción (IS): Estos elementos son simples en estructura y codifican sólo para las funciones necesarias para la transposición. Su tamaño varía entre 780 a 1500 pb, tienen repetidos invertidos cortos en sus extremos (15-25 pb). El ADN entre los repetidos invertidos terminales contiene un gen de la transposasa, excepcionalmente dos. Los transposones compuestos varían en longitud de 2000 pb a 40000 bp y tienen secuencias de inserción en sus extremos, normalmente como repetidos invertidos. En bacterias de interés médico, los transposones compuestos pueden portar genes que determinan la adhesión, producción de toxinas y otros factores de virulencia, así como genes de resistencia a uno o más antibióticos. Por ejemplo, los transposones Tn5 y Tn10, determinan la resistencia a kanamicina y tetraciclina, respectivamente.
2) Transposones de la familia TnA: Estos transposones poseen repetidos terminales invertidos de mayor tamaño que los transposones compuestos (35 a 40 pb) y además carecen de secuencias de inserción terminales. Todos los miembros de este tipo de transposón codifica para la transposasa y otra enzima la resolvasa. Dos transposones de esta clase son Tn3 (resistencia a ampicilina) y Tn1000, encontrados en el plásmido conjugativo F. 3) Bacteriofago Mu y fagos temperados relacionados: El genoma completo de este elemento funciona como un transposón. La replicación del ADN del fago, durante el crecimiento vegetativo, ocurre por transposición replicativa. La integración del profago puede ocurrir en diferentes sitios del cromosoide bacteriano y frecuentemente causa mutaciones. Por esta razón Mu y los fagos relacionados son a veces llamado fagos mutadores. Existe una cuarta clase de transposones, recientemente descubierta en bacterias Gram (+). Son denominados transposones conjugativos. El transposón Tn917 pertenece a esta clase. Estos transposones son totalmente diferentes de los descritos anteriormente. Estos no generan duplicación de las secuencias blancos en las cuales se inserta. Además, los transposones conjugativos, de forma similar a los plásmidos conjugativos, tienen la información necesaria para ser transferido de una bacteria a otra mediante el proceso de conjugación. Sin embargo, a diferencia de la conjugación realizada por los plásmidos conjugativos, la conjugación por transposones conjugativos no necesita que las bacterias a conjugar estén relacionadas estrechamente. Estos transposones son los principales responsables de la diseminación de resistencia en bacterias Gram (+).
34
Biología de los microorganismos
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
Secuencia de Inserción
Transposasa
Transposón compuesto (Tn5)
IS50L Transposasa
1 IS50R Transposasa
Km Resistencia a kanamicina
2
Familia Tn A (Tn3)
Transposasa
Resolvasa
Ap Resistencia a ampicilina
3
Fago µ
Transposasa
Genes Fago (cabeza/cola)
Figura 4-3: Clases de transposones representativos, integrados en el genoma bacteriano. El rectángulo con barras oblicuas representa la repetido terminales invertidos. Las puntas de flecha en blanco corresponde al sitio de inserción del transposón, repetido en la misma orientación.
Integrones: Estos elementos genéticos son importantes en la evolución de los transposones. La primera indicación de su importancia provienen de la comparación de los miembros de la familia Tn21 (Figura 4-4). Los integrones tienen en común repetidos invertidos en sus extremos y una gen que codifica para la enzima integrasa. Esta enzima media la inserción de genes de resistencia a antibióticos (cassette génicos) en una secuencia específica GTT. Todos los integrones poseen un promotor fuerte, denominado sitio P, que controla la expresión de los genes de resistencia integrados. En la Figura 4-4, se muestran tres integrones, los cuales son similares, excepto que ellos tienen diferentes genes de resistencia a antibióticos, insertados exactamente en el mismo sitio P. El transposón In0 no contiene ningún gen de resistencia a antibiótico en el sitio P, mientras que In3 tiene un gen para resistencia a trimethoprim en este sitio. In2, el cual es realmente un transposón insertado dentro del Tn21, tiene un gen de resistencia a streptomicina y espectinomicina en el sitio P.
Genética bacteriana
35
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
GTT
GTT 59 pb
GTT 59 pb
Figura 4-4:
Integrones de la familia Tn21. IR, representa una secuencia repetida invertida de 25 pb; int, gen de la integrasa; sul1, resistencia a sulfonamida; dhfr, resistencia a trimetoprim; aadA , resistencia a estreptomicina y espectinomicina; GTT, Sitio de inserción del casset génico de resistencia; 59 pb, elemento de 59 pb involucrado en los eventos de recombinación mediada por la integrasa; P(P2), promotor fuerte.
VARIACIÓN GENÉTICA EN BACTERIAS A pesar que las bacterias se multiplican clonalmente, por fisión binaria, en las poblaciones bacterianas la existencia de variabilidad genética es un hecho irrefutable. Existen básicamente dos mecanismos por los cuales las bacterias adquieren variabilidad: la mutación y la transferencia genética horizontal.
Mutaciones: Las mutaciones son cambios heredables en el genoma. Éstas pueden ocurrir en forma espontánea durante la replicación, o ser inducidas por agentes mutagénicos químicos (etilmetanosulfanato) o físicos (luz ultravioleta). Las mutaciones pueden causar cambios en las características fenotípicas de una bacteria y constituyen la fuente primordial de variabilidad genética en todos los seres vivos. Para que una mutación se establezca en términos poblacionales, debe conferir una mejor adaptación de la bacteria a su entorno, de tal forma que ocurra selección positiva del nuevo clon. Las mutaciones son clasificadas sobre la base de los cambios estructurales que pueden ocurrir en el ADN. Algunas mutaciones son localizadas dentro de cortos segmentos de ADN (substituciones nucleotídicas, microdeleciones y microinserciones). Otras, en cambio,
36
Biología de los microorganismos
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
involucran grandes regiones del ADN e incluyen las deleciones, inserciones o rearreglos cromosómicos.
Transferencia horizontal de información genética: La transferencia horizontal de información genética provee a las bacterias de un mecanismo de sexualidad. La interacción genética entre los microorganismos permite que sus genomas evolucionen mucho más rápidamente que por el proceso de mutación y selección únicamente. El intercambio de información genética entre bacterias ha tenido gran impacto en biomedicina, a través de la emergencia y diseminación de plásmidos de resistencia a antibióticos, variación de fase flagelar en Salmonella y variación antigénica de antígenos de superficie en Neisseria y Borrelia. La transferencia horizontal en bacterias involucra el intercambio de información genética desde una célula dadora a otra célula recipiente. La transformación, transducción y conjugación son procesos sexuales que utilizan diferentes mecanismos para introducir ADN donador en una bacteria recipiente. Debido a que el ADN donador no puede persistir en la bacteria recipiente, a menos que sea parte de un replicón (plásmido, bacteriófago), la recombinación entre los genomas dador y recipiente es requerida frecuentemente para producir progenie híbrida estable.
Transformación: En la transformación, las moléculas de ADN provenientes desde la bacteria donadora son captadas directamente desde el ambiente extracelular por la bacteria recipiente. La recombinación ocurre entre las moléculas simples del ADN transformante y el cromosoide bacteriano. El ADN transformante debe ser al menos de 500 pb y corresponde a fragmentos pequeños del cromosoma bacteriano. La transformación fue descubierta primero en Streptococcus pneumoniae, pero puede darse en otros géneros de bacterias como Haemophilus, Neisseria, Bacillus y Staphylococcus. La habilidad de la bacteria para captar ADN extracelular y llegar a ser transformada se denomina competencia y depende del estado fisiológico de la bacteria. En algunas bacterias la captación de ADN depende de la presencia de secuencias específicas en el ADN transformante ( Haemophilus y Neisseria), mientras que en otros géneros no se requiere una secuencia específica ( Streptococcus pneumoniae). La bacteria competente puede además captar ADN intacto, como el presente en bacteriófago (transfección) o plásmidos, los cuales pueden replicarse como elementos extracromosómicos en la bacteria recipiente.
Transducción: En la transducción, los bacteriófagos funcionan como vectores para introducir ADN desde una bacteria dadora en una bacteria recipiente por infección. Para algunos fagos, llamados fagos de transducción generalizada, una pequeña fracción de los fagos producidos durante el ciclo lítico son aberrantes y contienen fragmentos aleatorios del cromosoide bacteriano, en lugar del ADN del fago. Cada fago transductante individual puede transportar sets diferentes de genes estrechamente ligados, que representan un pequeño segmento del genoma bacteriano. La transducción mediada por una población de tales fagos es llamada
Genética bacteriana
37
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
transducción generalizada, debido a que cualquier región del genoma bacteriano tiene aproximadamente la misma probabilidad de ser transferido desde una bacteria dadora a una recipiente. La transducción especializada difiere de la transducción generalizada en varios puntos. Es mediada sólo por fagos temperados específicos, y sólo unos pocos genes dadores específicos pueden ser transferidos a la bacteria recipiente. Los fagos transductantes especializados son formados sólo cuando la bacteria lisogénica dadora entra el ciclo lítico, liberando la progenie de fagos.
Conjugación: En la conjugación, el contacto celular entre la bacteria dadora y recipiente conduce al establecimiento de un puente citoplasmático entre ambas y transfiere parte o todo el genoma de la bacteria dadora a la recipiente. La habilidad de la bacteria dadora está determinada por los plásmidos conjugativos, llamados también plásmidos de fertilidad o plásmidos sexuales. El plásmido F (también factor F) de E. coli, es el prototipo para los plásmido de fertilidad en bacterias Gram (-). Las cepas de E. coli con un plásmido F extracromosomal es llamado F+ y funciona como dadores de ADN. En cambio, las cepas que carecen del plásmido F son denominados F- y se comportan como recipientes. Las funciones conjugativas de los plásmidos D son especificados por un “cluster” de al menos 25 genes de transferencia (tra) los cuales determinan la expresión del pili sexual, síntesis y transferencia del ADN durante el apareamiento, interferencia con la habilidad de las bacterias F+ para servir como recipiente, y otras funciones. Cada bacteria F+ tiene de 1 a 3 pili sexuales que se unen a una proteína de membrana externa específica en la bacteria recipiente. Luego se forma un puente citoplasmático intercelular y una hebra del ADN del plásmido F es transferido desde la bacteria dadora a la bacteria recipiente, comenzando en un sitio único y progresando en la dirección 5’ a 3’. La hebra transferida a la bacteria recipiente es convertida a una doble hebra circular, constituyendo un nuevo plásmido F. El plásmido F en E. coli puede existir como un elemento extracromosómico o ser integrado en el cromosoide bacteriano. E. coli, posee múltiples copias de diferentes elementos genéticos llamados secuencias de inserción (IS), en varios sitios de su cromosoide. Se ha observado que el plásmido F se integra preferentemente en aquellas regiones que contienen secuencias de inserción. Una cepa de E. coli con un plásmido F integrado mantiene su habilidad para funcionar como una dador de ADN. Debido a que las cepas con factores F integrado pueden transferir genes cromosomales a bacteria recipientes con una alta frecuencia, son llamadas cepas Hfr. La transferencia mediada por el factor F integrado, también involucra una sola hebra, pero en este caso el replicón es híbrido, pues se transfiere parte del ADN del factor F y parte del ADN del cromosoide bacteriano. Los plásmidos F integrados en cepas Hfr pueden algunas veces ser excendidos desde el cromosoide bacteriano. Si el proceso de excisión es preciso, se generan células F+ nuevamente. Sin embargo, en raras ocasiones la excisión no es perfecta y fragmentos del ADN bacteriano pueden ser incorporadas al plásmido F, formándose un replicón híbrido, llamado plásmido F’.
38
Biología de los microorganismos
‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
La conjugación también ocurre en bacterias Gram (+). La bacteria Gram (+), dadora de ADN, produce adhesinas que causan su agregación con células recipientes, pero el pili sexual no está involucrado. En alguna especies de Streptococcus, la bacteria recipiente produce ferohormonas sexuales, extracelulares, que provocan que el fenotipo donador sea expresado en aquellas bacterias que contienen un plásmido conjugativo apropiado.
BIBLIOGRAFÍA Griffiths, A., Miller, J., Suzuki, D., Lewontin, R. and Gelbart, W. 1996. An Introduction to Genetic Analysis. Sixth Edition. W. H. Freeman and Company. New York. U.S.A. Murray, P, Kobayashi, G. Pfaller, M. and Rosenthal, K. 1997. Microbiología Médica. Segunda edición. Harcourt Brace de España, S.A. Madrid, España. Snyder, L. and Champness, W. 1997. Molecular Genetics of bacteria. American Society for Microbiology Press. Washington, U.S.A.
